Um den Klimawandel zu bekämpfen, wollen Forscher Kohlendioxid aus dem Ozean ziehen und in Gestein verwandeln | Innovation

Eine neue Methode zur Bekämpfung des Klimawandels fühlt sich an wie moderne Alchemie: Wissenschaftler haben herausgefunden, wie man dem Ozean Kohlendioxid entzieht und es in harmloses Gestein umwandelt.

Von jeder Tonne Kohlendioxid, die wir in die Luft pumpen, wird etwa ein Viertel davon wie ein riesiger, wässriger Schwamm vom Meer aufgenommen. All dieses überschüssige Kohlendioxid säuert das Wasser an und bedroht Organismen, wie zum Beispiel solche mit Kalziumkarbonat-Schalen, die auf die Veränderung empfindlich reagieren.

Um dieses Schicksal abzuwenden, müssen die CO2-Emissionen sinken – schnell. Viele Wissenschaftler glauben jedoch auch, dass die aktive Kohlenstoffabscheidung – das bewusste Entfernen von Kohlendioxid aus der Umwelt – ein notwendiger Schritt sein wird, um den Anstieg der Emissionen, der für unzählige Umweltauswirkungen verantwortlich ist, einzudämmen und möglicherweise sogar umzukehren. Es ist jedoch eine gewaltige Aufgabe, genug Kohlenstoff einzufangen, um einen Unterschied zu machen, eine, die sich bisher als schwierig und teuer erwiesen hat.

„Sie sprechen davon, etwa 10 bis 20 Gigatonnen von zu entfernen [carbon dioxide] pro Jahr, ab 2050, wahrscheinlich für das nächste Jahrhundert“, sagt Gaurav Sant, Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen und Direktor des Institute for Carbon Management an der University of California, Los Angeles.

Bisher konzentrierten sich die meisten Bemühungen zur Abscheidung von Kohlenstoff auf die direkte Luftabscheidung – der Versuch, das Gas aus der Atmosphäre zu ziehen. Doch um die CO2-Abscheidung effizienter zu gestalten, wendet sich das Forschungsteam von Sant an den Ozean, um Hilfe zu erhalten.

Ozeane und andere große Gewässer können mehr als 150-mal mehr Kohlendioxid aufnehmen als die Luft. Die Idee von Sant und seinen Kollegen ist, dass, wenn man Kohlenstoff aus dem Ozean entfernt, das Wasser mehr aus der Atmosphäre aufnimmt, um einen Gleichgewichtszustand aufrechtzuerhalten. Jetzt schlagen sie einen innovativen Weg vor, um Kohlenstoff aus dem Ozean zu gewinnen – indem sie ihn in Gestein verwandeln.

Meerwasser enthält viel Kalzium und Magnesium. Wenn sich die Calcium- oder Magnesiumionen mit Kohlendioxid verbinden, bilden sie Calcit oder Magnesit. Die chemische Reaktion ist ähnlich wie bei vielen Meeresorganismen, die ihre Schalen bauen. Aber durch die Einführung einer dritten Zutat, der Elektrizität, können Sant und sein Team diese Reaktion schnell, effizient und möglicherweise in großem Umfang durchführen. Zusammenfassend haben die Wissenschaftler eine neue Technologie vorgeschlagen, bei der Meerwasser durch ein elektrisch geladenes Netz geleitet wird, wobei Elektrolyse verwendet wird, um die chemischen Reaktionen auszulösen, die zur Bildung von Karbonatgesteinen erforderlich sind.

Bisher hat das Team einen 1,5 mal 1,5 Meter großen Prototyp gebaut, den es mit simuliertem Meerwasser fluten kann. Sie sammeln Daten zur Kohlendioxidmenge, die über verschiedene Zeiträume entfernt werden kann, analysieren die Prozesseffizienz und den Energiebedarf. Abgesehen von der einfachen Demonstration des Konzepts verwenden sie das Modell, um zu bestimmen, welche Betriebsvariablen den Prozess beeinflussen könnten.

„Dies ist der prägende Schritt zum Aufbau größerer Systeme und zur Erprobung des Prozesses in größerem Maßstab“, sagt Sant.

Der Prozess ist ein bisschen wie eine Wasseraufbereitungsanlage, aber anstatt Wasser aufzunehmen und Verunreinigungen auszusieben, würde die geplante Anlage Elektrizität verwenden, um Kohlenstoff, Kalzium und Magnesium zur Reaktion zu zwingen und zu Feststoffen zu werden. Das „gereinigte“ Wasser würde dann ins Meer zurückgeführt.

„Sie geben tatsächlich Wasser zurück, das etwas alkalischer ist als das, was Sie eingefüllt haben“, sagt Alan Hatton, ein Chemieingenieur am Massachusetts Institute of Technology, der an mehreren unabhängigen Technologien zur Kohlenstoffabscheidung gearbeitet hat. Dieses alkalischere Wasser könnte dazu beitragen, die Auswirkungen der Ozeanversauerung in unmittelbarer Nähe zu mildern, fügt er hinzu.

Die chemische Reaktion zieht nicht nur Kohlenstoff aus dem Meerwasser, sondern hat auch ein nützliches Nebenprodukt: Wasserstoffgas. Durch die Produktion und den Verkauf des Wasserstoffs könnte eine Anlage dazu beitragen, ihre Kosten zu kompensieren. Sant sagt, dass selbst wenn eine geplante Ozean-Kohlenstoff-Abscheidungsanlage mit Erdgas statt mit erneuerbarer Energie betrieben wird, der gesamte Prozess aufgrund dieses Wasserstoffgas-Nebenprodukts immer noch kohlenstoffnegativ sein könnte.

Während die Kohlenstoffabscheidung im Ozean eine neuere Technologie ist, experimentieren einige andere Gruppen auch damit. Einige ihrer Projekte, wie eines von Halifax, dem in Nova Scotia ansässigen Startup Planetary Hydrogen, sind vielversprechend.

Wie Sants Team extrahiert Planetary Hydrogen Kohlenstoff aus Meerwasser, fängt ihn in einem Feststoff ein und erzeugt indirekt Wasserstoffgas. Anstatt Elektrolyse zu verwenden, tun sie es jedoch mit Hydroxid. Hydroxid ist ein alkalisches Material, das einen ansonsten natürlichen Prozess beschleunigt – Gestein reagiert mit Kohlendioxid und Wasser, um alkalische Formen von Kohlenstoff zu bilden – der normalerweise über geologische Zeiträume abläuft, sagt Greg Rau, der leitende Forscher des Unternehmens. Obwohl kein Team die frühen Entwicklungsstadien hinter sich hat, scheinen die beiden Vorschläge einige Vorteile gegenüber dem Versuch zu haben, Kohlenstoff aus der Luft abzuscheiden.

Kohlendioxid ist in der Atmosphäre viel weniger konzentriert als im Ozean, daher müssen die Bemühungen zur direkten Luftabscheidung normalerweise ziemlich groß sein, um eine signifikante Wirkung zu haben. Weder Hatton noch Sant glauben, dass Anlagen zum Einfangen von Ozeanen solche Grundstücke benötigen werden. Und laut Sant erfordert sein Verfahren die Hälfte der Energiekosten der direkten Luftabscheidung und es wird kein Speicherreservoir für das Kohlendioxid benötigt.

Sants Vorschlag hat jedoch einige Nachteile, die den Fortschritt der Technologie erschweren könnten. Die größte scheint die Menge an Feststoffen zu sein, die der Prozess erzeugen würde, sobald er in einem Maßstab betrieben wird, der aussagekräftig genug ist, um den Klimawandel zu beeinflussen.

Die Entfernung von 10 Gigatonnen Kohlendioxid aus dem Ozean würde beispielsweise 20 Gigatonnen Karbonate ergeben – mindestens, sagt Sant. Er hat jedoch eine Idee, was er mit all diesen Feststoffen machen soll.

Seit mehr als einem Jahrzehnt konzentrierte sich die Forschung von Sant auf die Optimierung eines Prozesses, bei dem Kohlendioxid aus Fabrikabgasströmen mit Calciumhydroxid kombiniert wird, um Beton zu bilden. “Weil [my carbon dioxide sequestration method] produziert effektiv klimaneutralen Kalkstein, jetzt haben Sie die Möglichkeit, klimaneutralen Zement herzustellen und die Kalksteinfeststoffe für den Bau zu verwenden“, sagt Sant.

Ein Großteil der Feststoffe, die von einer Ozeaneinfanganlage produziert werden, könnte auf diese Weise verwendet werden, aber es bleiben immer noch Tonnen übrig, die wahrscheinlich in den Ozean zurückkehren würden, was die lokalen Meeresökosysteme stören könnte.

Hatton sagt, es lohnt sich, die potenziellen Auswirkungen der geplanten Anlage mit den Auswirkungen einer Entsalzungsanlage auf die umgebende Meeresumwelt zu vergleichen. Während das Hauptproblem bei der Entsalzung die Ansammlung von Sole ist, könnten die Karbonatablagerungen aus der Anlage von Sant andere Probleme verursachen, wie zum Beispiel die Erstickung der Pflanzenwelt und die signifikante Veränderung der Lebensräume am Meeresboden. Allein der Betrieb der Anlage, so Hatton, könnte auch physikalische Auswirkungen auf das Verhalten des Wassers in der Nähe der Anlage haben, wie beispielsweise störende Strömungsmuster.

Es hat für Sant höchste Priorität, die Umgebung so ungestört wie möglich zu lassen, obwohl er erkennt, dass mit der Verbreitung dieser Art von Technologie das Potenzial für unbeabsichtigte, noch unbekannte Folgen besteht.

Sobald das Team demonstrieren kann, dass die Technologie im großen Maßstab funktionieren kann und wirtschaftlich rentabel ist, hoffen sie, Hunderte, wenn nicht Tausende von Anlagen auf der ganzen Welt gebaut zu sehen. Letztendlich hofft Sant, dass ihre Arbeit die Menschen dafür öffnet, wozu CO2-Abscheidung fähig ist.

Dieser Artikel stammt aus dem Hakai Magazine, einer Online-Publikation über Wissenschaft und Gesellschaft in Küstenökosystemen. Lesen Sie mehr Geschichten wie diese auf hakaimagazine.com.

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